(57)【要約】      （修正有）【課題】より安いコストおよび／または、より小さいナビゲーショングレードの共振器光ファイバ・ジャイロスコープを提供する。【解決手段】第１の周波数コムスペクトルを有する第１の光線を生じるように構成される第１の光源１１２と、第２の周波数コムスペクトルを有する第２の光線を生じるように構成される第２の光源１１４とを有する。第１の光学フィルタ１１６は、前記第１の周波数コムスペクトルの第１の周波数コム部分を通過するように構成され、前記第１の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有する。第２の光学フィルタ１１８は、前記第２の周波数コムスペクトルの第２の周波数コム部分を通過するように構成され、前記第２の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有し、前記第２の周波数コム部分が、前記第１の周波数コム部分とスペクトル的に分離されている。【選択図】図１
2013221938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数コムスペクトルを有する第１の光線を生じるように構成される第１の光源と、
第２の周波数コムスペクトルを有する第２の光線を生じるように構成される第２の光源と、
前記第１の光源と光通信し、前記第１の周波数コムスペクトルの第１の周波数コム部分を通過するように構成された第１の光学フィルタであって、前記第１の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有することを特徴とする第１の光学フィルタと、
前記第２の光源と光通信し、前記第２の周波数コムスペクトルの第２の周波数コム部分を通過するように構成された第２の光学フィルタであって、前記第２の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有し、前記第２の周波数コム部分が、前記第１の周波数コム部分とスペクトル的に分離されていることを特徴とする第２の光学フィルタと、
第１および第２の光学フィルタと光通信する光共振器であって、該光共振器が、フリースペクトルレンジ値を有する複数の共振を有し、該光共振器が、光ファイバ・コイルを有し、第１の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第１の光線の第１の周波数コム部分を循環し、第２の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第２の周波数コム部を循環するように構成されたことを特徴とする光共振器と、
を有し、
第１および第２の周波数コム部のフリースペクトルレンジ値が、実質的に同じであり、共振のフリースペクトルレンジ値の奇数の整数の倍数になるように調整され、
第２の周波数コム部が、回転レートと比例した周波数値に加えて、共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって、第１の周波数コム部からスペクトル的に離されている
ことを特徴とする、共振器光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項２】
第１の光源が時計回り（CW）の光線を生成し、第２の光源が逆時計回り（CCW）の光線を生成することを特徴とするジャイロスコープであって、
光学的に光共振器に連結され、光共振器を循環しているCW光線をサンプリングするように構成される第１の光検出器と、
光共振器で循環しているCCW光線をサンプリングするように構成された第２の光検出器と
第１の光検出器に有効に連結され、第１の周波数に基づいて信号を復調するように構成される第１の復調器と、
前記第１の光検出器に有効に連結される第２の復調器または第１の増幅器と、
を有し、
前記第２の復調器が、第１の周波数の第二高調波に基づいて信号を復調するように構成され、
前記第１の増幅器が、ＤＣ強度値を判断するように構成され、
第１の復調器に有効に連結され、第１の復調器から復調された信号を処理するように構成される第１のサーボ制御ユニットと、
第２の復調器または第１の増幅器に有効に連結され、第１の増幅器からの第２の復調器またはＤＣ強度値から復調された信号を処理するように構成される第２のサーボ制御ユニットと、
を更に有し、
第１および第２の各々のサーボ制御ユニットからの出力は、第１の光源に制御信号を提供し、
第２の光検出器に有効に連結され、第２の周波数に基づいて信号を復調するように構成される第３の復調器と、
第２の光検出器に有効に連結する第４の復調器または第２の増幅器と、
を更に有し、
第４の復調器が第１の周波数の第二高調波に基づいて信号を復調するように構成され、
第２の増幅器がＤＣ強度値を判断するように構成され、
第３の復調器に有効に連結され、第３の復調器から復調された信号を処理するように構成される第３のサーボ制御ユニットと、
第４の復調器または第２の増幅器に有効に連結され、第２の増幅器からの第４の復調器またはＤＣ強度値から復調された信号を処理するように構成された第４のサーボ制御ユニットと、
を更に有し、
第３および第４のサーボ制御ユニットの各々からの出力が、第２の光源に制御信号を提供することを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第２の光源と光通信し、第３の周波数コム部分を通過するように構成された第３の光学フィルタと
を更に有し、
第３の周波数コム部が、回転レートに比例した周波数値を加えた共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第１の周波数コム部から離間され、
第３の周波数コム部が、共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第２の周波数コム部から離間される
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  ジャイロスコープは、多くの異なるアプリケーションの旋回中心について、回転レートまたは角速度の変化を判断するために用いられる。
【背景技術】
【０００２】
多くの防衛および宇宙用途のための様々な高性能で適度に大きさを設定されてより入手可能なジャイロスコープが開発されると共に、軍および商業アプリケーションの飛程のためのまだより安いコストおよび／またはより小さい大きさを設定されたナビゲーショングレードジャイロスコープの必要がある。
【０００３】
[0002]  共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）はより小さなサイズおよびより安いコストの非常に高感度なリングレーザ・ジャイロスコープと干渉計ファイバジャイロスコープとの長所を結合でき、ＲＦＯＧは時計回り（CW）および反時計回り（CCW）方向にリング共振器の共振を探索するのにレーザを用いる。より小さいおよび／または低コストＲＦＯＧを実行する際に、対処されることを必要とする１つの問題は多数（最高４）の位相ロックされたレーザ光源がジャイロスコープの光を提供するために必要かもしれず、それは多くのパワー消費量を必要とし、望ましくない生産コストを上げる。この種のジャイロスコープの非常に良いバイアス安定性を得ることに関する課題が、また、ある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]  共振器光ファイバ・ジャイロスコープは、第１の周波数コムスペクトルを有する第１の光線を生じるように構成される第１の光源と、第２の周波数コムスペクトルを有する第２の光線を生じるように構成される第２の光源とを有する。第１の光学フィルタは、前記第１の光源と光通信し、前記第１の周波数コムスペクトルの第１の周波数コム部分を通過するように構成された第１の光学フィルタであって、前記第１の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有する。第２の光学フィルタは、前記第２の光源と光通信し、前記第２の周波数コムスペクトルの第２の周波数コム部分を通過するように構成された第２の光学フィルタであって、前記第２の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有し、前記第２の周波数コム部分が、前記第１の周波数コム部分とスペクトル的に分離されている。光共振器が、第１および第２の光学フィルタと光通信し、該光共振器が、フリースペクトルレンジ値を有する複数の共振を有し、該光共振器が、光ファイバ・コイルを有し、第１の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第１の光線の第１の周波数コム部分を循環し、第２の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第２の周波数コム部を循環するように構成される。第１および第２の周波数コム部のフリースペクトルレンジ値が、実質的に同じであり、共振のフリースペクトルレンジ値の奇数の整数の倍数になるように調整される。第２の周波数コム部が、回転レートと比例した周波数値に加えて、共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって、第１の周波数コム部からスペクトル的に離されている。
【０００５】
[0004]  図面は典型的な実施形態だけを表すので範囲を限定するとみなされることになっておらず、典型的な実施形態は添付の図面を参照してより詳細に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0005]  図１は、ある実施形態による共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のブロック図である、
【図２Ａ】[0006]  図2Aは、入力レーザにより生成される周波数コムスペクトル、および、図１のＲＦＯＧに関する周波数のフィルタリングした部分を例示する概略図である。
【図２Ｂ】[0006]  図2Bは、入力レーザにより生成される周波数コムスペクトル、および、図１のＲＦＯＧに関する周波数のフィルタリングした部分を例示する概略図である。
【図３】[0007] 図３は、図１のＲＦＯＧに関して、入力レーザおよび検知共振器共振により生成される周波数コムスペクトルのフィルタを通した部分を例示する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0008]  一般的な慣行に従い、記載されている種々の特徴は、一定の縮尺で描かれておらず、典型的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれている。
[0009]  以下の詳細な説明では、実施形態は当業者が本発明を実施できるのに充分詳細に記載されている。本発明の範囲内において、他の実施形態が利用できると理解され得る。したがって、以下の詳細な説明は、限定的に解釈されない。
【０００８】
[0010]  周波数コムスペクトルを生成するレーザのような一つ以上の光源を含む共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）が提供される。このアプローチは、ＲＦＯＧの光学系を単純化して、改良されたジャイロスコープ性能を提供する。
【０００９】
[0011]  ＲＦＯＧでは、光線を反対方向に伝播することは光ファイバ共振するコイルの、そして、光結合器を使用しているコイルによる倍数・パスのための倍数変化を循環し、それは再びコイル（すなわち、光を再循環させた）の中へ戻し、コイルを通過した光をリダイレクトする。反対方向に伝播している光線は調整され、および／または、共振するコイルの共振周波数が観察されるように、周波数はシフトする。コイルを通過する各々のCWおよびCCWパスに関する共振周波数は、すべての光波がコイルを異なる回数コイル内の任意の時点で構造的干渉を通過したように、強め合う干渉条件に基づく。この構造的干渉の結果、往復の共振器ビーム路程が波長の整数に等しいとき、与えられた波長を有する光波は「共振」と称され得る。コイルの軸についての回転は、時計回り及び反時計回りの伝播のために異なる経路長を生じる。これは共振器のそれぞれの共振周波数間のずれを生じ、周波数差は回転レートを示す。
【００１０】
[0012]  本方法は、ＲＦＯＧに関してCW及びCCWの方向の多数のレーザ線を生成するために周波数コムを採用する。これは、モードロックレーザを用いて各々の方向の光源に関してされることができる。モードロックレーザは、レーザキャビティの範囲内で作動中の振幅変調か周波数変調に基づいてもよくまたは受動モード同期に基づいてもよい。後者は、レーザキャビティの範囲内で可飽和アブソーバを使用することにより達成されることができる。たとえば、ファイバレーザはレーザキャビティの一端として半導体可飽和アブソーバ鏡を使用することによりロックされるモードであってもよい。半導体レーザはまた、モードロックレーザとして構成されることができる。いずれの場合においても、ＲＦＯＧのモードロックレーザは、固定周波数差を有する一連のレーザ線を生成し、CWおよびCCW方向のスリースペクトルレンジの整数にマッチする。同じ周波数のための共振器の範囲内でまたは重要な検出バンドの範囲内の小さい周波数差の範囲内で後方散乱を予防するために、レーザは、それらのコム線が共振器の異なる縦モードに一致するように調整される。
【００１１】
[0013]  各々のレーザコムの絶対周波数は、検知共振器コイルのCW共振およびCCW共振に続くように変換される。このように、回転がある場合には、CWおよびCCWレーザ周波数コムの絶対周波数は、互いに関連し、回転のための共振周波数差を表す。各々の方向のコム線間の周波数差は、例えば、線が抑えるコムが温度を有するフリースペクトルレンジ変化として共振器共振に合ったことを確認するために調整される。このように、フリースペクトルレンジが同じなので、コム線の間隔はCWおよびCCW方向と同じであるが、しかし、コム線は、回転レートのために周波数で表現される。
【００１２】
[0014]  強度変化および周波数変動（回転測定のための）間の差を言うために、コムは変調された周波数であり、検出信号は復調される。あらゆるフリースペクトルレンジの方向を逆転させるファイバ共振器の分極および空間モードエラーがあるので、各々の方向のコム間隔はファイバ共振器の自由なスペクトル域の奇数の整数である。
【００１３】
[0015]  この方法の追加の詳細は、図面に関して次のように記載される。
[0016]  図１は、周波数コムを利用する典型的な実施形態によるＲＦＯＧ 100のブロック図である。ＲＦＯＧ 100は第１の光源112および第２の光源114を含み、それは光線を生成する。ある実施形態では、第１の光源112、114は、多重周波数で時計回り（CW）逆時計回り（CCW）光をそれぞれ生成する可変同調型モードロックレーザである。CWおよびCCW光線は、実質的に同じ自由なスペクトル域を有する周波数コムスペクトルを有する。例えば、モードロックレーザは光ファイバ・レーザとして実行されることができる。
【００１４】
[0017]  モードロックは、レーザが極めて短い持続期間の光のパルスを起こすために実行されることができるテクニックである。このテクニックの基礎は、レーザの共振キャビティの多数のレーザ光線を出しているモード間の固定された位相関係を誘導することである。次いで、レーザは、層ロック（phase-locked）またはモードロックされると言われている。これらのモード間の干渉は、レーザ光線に一連のパルスとして生じる。レーザ、特にどれくらい多くのモードがレーザ発振されるかに従い、これらのパルスは、数ピコ秒以下のような極めて短い持続期間の中であってよい。
【００１５】
[0018]  モードロックレーザは、レーザキャビティの往復の時間までに、遅れずに分離される一連の光パルスを生じる。この種のパルストレインのスペクトルは、レーザキャビティのフリースペクトルレンジによって、切り離される一連の非常に狭いレーザ線である。鋭いスペクトル線のスペクトルの連続は、周波数コムと呼ばれている。隣接したスペクトル線間の周波数間隔は、フリースペクトルレンジ（FSR）である。
【００１６】
[0019]  第１の光学フィルタ116は、第１の光源112を有する光通信にあり、第２の光学フィルタ118は第２の光源114を有する光通信にある。ある実施形態では、光学フィルタ116は、光学的に光結合器113による光源112（例えば光ファイバ・レーザ）に接続している。同様に、光学フィルタ118は、光学的に光結合器115による光源114（例えば光ファイバ・レーザ）に接続されることができる。任意の第３の光学フィルタ118aが光学的対称性のために光源114に光学的に接続され又は分散の問題に対処するために接続することができる。
【００１７】
[0020]  光学フィルタ116は、光源112から光線の第１の周波数コム部分を通すように構成される。第２の周波数コム部が予め定められた量だけ、第１の周波数コム部から離れてスペクトル的に切り離されるように、光学フィルタ118は光源114から光線の第２の周波数コム部分を通すように構成される。実装されるときに、任意の光学フィルタ118aが、光源114からの光線の第３の周波数コム部分を通すように構成され、その結果、第３の周波数コム部が、第１および第２の両方の周波数コム部からスペクトル的に分離される。光学フィルタは、ブラッグ回折格子、一つ以上のエッジフィルタ等として実装されることができる。
【００１８】
[0021]  第１の周波数コム部は、第１の周波数（ｆａ）で、正弦波的に第１の周波数コム部を周波数変調するために第１のモジュレータ117に通され、検知共振器の共振周波数の検出のために使われる。第２の周波数コム部分（及び、用いられるときは第３の周波数コム部分）は、第１の周波数と異なる第２の周波数（ｆｂ）で、正弦波的に第２の周波数コム部を変調する第２のモジュレータ119に通される。
【００１９】
[0022]  ＲＦＯＧ 100のモードロックレーザの操作は、図2Aおよび2Bにおいて、更に例示される。モードロックレーザは、CWレーザ202およびCCWレーザ212を包含し、それぞれCW光線およびCCW光線を生成する。CW光線は、複数の鋭いスペクトル線206を有する周波数コムスペクトル204を有する。CCW光線は、複数の鋭いスペクトル線216を有する周波数コムスペクトル214を有する。図2Aに示すように、周波数コムスペクトル204および206は、実質的にそれらのそれぞれのスペクトル線206と216と間の同じフリースペクトルレンジ（FSR）を有する。
【００２０】
[0023]  図2Bにて図示するように、光学フィルタ116は、CWレーザ202から周波数コムの周波数コム部分208にスペクトル204を通す。同様に、光学フィルタ118はCWレーザ212から周波数コムの周波数コム部分218にスペクトル214を通す。周波数コム部218が予め定められた周波数量によって、周波数コム部208から離れてスペクトルで切り離されるように、光学フィルタ116および118は異なる通過帯域を有する。
【００２１】
[0024]  再び図１を参照すると、光共振器120は、光学フィルタ116および118を有する光通信にある。光共振器120は、構成される光ファイバ・コイル122が設けられ、方向を反対方向に伝播する際にCWおよびCCW光線を循環させるように構成される。共振器120もまた、ファイバーコイル122に光学的に連結された第１のリサーキュレータ124および第２のリサーキュレータ126を包含する。リサーキュレータ124は、変調された光線を光ファイバ・コイル122に導き、方向を反対方向に伝播する際に（例えばCW及びCCW方向）光ファイバ・コイル122を介して調整された光線の一部を巡回させる。
【００２２】
[0025]  一対の光検出器130、132は、リサーキュレータ126の仕方によって光学的に共振器120に連結され、共振器120を循環しているCWおよびCCW光線それぞれをサンプリングする。一対の復調器140、142は、CWを復調するように光検出器130に有効に結合され、一対の復調器144、146は、CCW信号を復調するように光検出器132に有効に連結される。
【００２３】
[0026]  ある実施形態では、復調器140は、第１の周波数（ｆａ）に基づいて、信号を復調するように構成され、復調器142は、第１の周波数の第二高調波に基づいて、信号を復調するように構成されることができる。別の実施形態では、復調器142は、CWレーザから生成され、共振器を通過している光検出器130上のＤＣ強度値を正確に測定する増幅器と取り替えられることが可能である。同様に、復調器144は、第２の周波数（fb）に基づいて、信号を復調するように構成され、復調器146は、第２の周波数の第二高調波に基づいて、信号を復調するように構成されることができる。もう一つの実施形態では、復調器146は、CCWレーザから生成され、共振器を通過する光検出器132のＤＣ強度値を正確に測定する増幅器と取り替えられることが可能である。
【００２４】
[0027]  142および146が復調器である実施形態では、復調器140、142からの復調されたCW信号は、それぞれ更なる処理のために一対のCWサーボ制御ユニット150、152に送られる。同様に、復調器144、146からの復調されたCCW信号は、更なる処理のために一対のCCWサーボ制御ユニット154、156にそれぞれ送られる。各々のサーボ制御ユニット150および152からの出力は光源112に結合され、各々のサーボ制御ユニット154および156からの出力は光源114に結合される。
【００２５】
[0028]  ある実施形態では、CWサーボ制御ユニット150は、νcwの制御を提供するために復調器140から復調された信号を処理するように構成され、それはCW波の平均周波数と一致する。サーボ制御ユニット150への入力である復調器140からの復調された信号は、サーボ制御ユニット150のエレクトロニクスによってゼロにドライブされ、すなわち、中心のCWコム線が平均のCW方向において、「共振（共振）」であり、すなわち、νcwがCWレーザに入力を介して調整される。フリースペクトルレンジがまだ調整されないというこのケースを仮定すると、復コムのセンターラインが共振上にあり、コムの一方は一方向へ共振を離れてあるが、コムの別の側が反対方向に共振を離れてあるので、調器140からの正味の出力はゼロである。これは対称コムの特定の場合を想定するが、CWレーザ波の自由スペクトルレンジが共振器120のCW自由スペクトルレンジに調整されていない場合でも、非対称コム用復調器140の正味の出力は共振にわたって平均化することによってゼロにすることができる。サーボ制御ユニット152は、CW波（FSRcw）のフリースペクトルレンジの制御を提供するように復調器142から信号を処理するように構成される。復調器142からの復調された信号は、基準信号発生器153からの制御装置152への入力である基準信号と比較され、FSRcwはCWレーザに入力のために調整される。このような方法で、サーボ制御ユニット150および152からの信号の組合せは、共振器120のCW共振の対応する中心に、CWレーザ112のコムの全てのCWレーザ周波数を調整する。これは、非対称コムの場合には、復調器140の正味の出力はゼロにされてもよいことに留意すべきであるが、非対称コムの中心線は、対応する共振器の共振ラインからわずかにオフ共振であってもよい。このミスアラインメントは、復調器142およびサーボ制御ユニット152を用いて取り除くことができる。
【００２６】
[0029]  同様にCCW、サーボは154が復調器144から復調された信号を処理するためにνccwの制御に提供するように構成されることができ、CCW波の平均周波数と一致する装置を制御する。サーボ制御部154に入力され、復調部144から復調された信号は、中心CCWコムラインは平均でCCW方向の"共振"となるように、すなわち、νccwであるサーボ制御部154内の電子回路によってゼロに駆動されるCCWレーザへの入力を介して調整される。コムの中心線が共振上にあり、コムの一方が一方向に共振オフであるので、復調器144からの正味の出力は、自由スペクトルレンジはまだ調整されておらず、この場合にはゼロと仮定されるが、他の側のコムの反対方向に共振オフになっています。これは対称コムの特定の場合を想定し、それでも非対称のコムのために、復調器144の正味の出力はCCWレーザ波の自由スペクトルレンジが、共振器120のCCW自由スペクトルレンジに調整されていない場合に共振にわたって平均化することによってゼロにすることができる。サーボ制御ユニット156は、CCW波（FSRccw）のフリースペクトルレンジの制御を提供する復調器146から、信号を処理するように構成される。復調部146からの復調信号は、基準信号発生器157からサーボ制御部156に入力される基準信号と比較され、FSRccwは、CCWレーザに入力するために調整される。このような方法で、サーボ制御ユニット154および156からの信号の組合せは、共振器120のCCW共振の中心に対応するCCWレーザのコムのCCWレーザ周波数の全てを調整する。
【００２７】
[0030]  光検出器130と光源112（CWレーザ）と間の復調器140およびサーボ制御ユニット150の構成は、第１の制御ループをCWレーザに提供し、復調器142およびサーボ制御ユニット152の平行した構成は第２の制御ループをCWレーザに提供される。同様に、光検出器132および光源114（CCWレーザ）との間の復調器144と、サーボ制御部154の構成は、CCWレーザのための第１の制御ループを提供し、復調器146、サーボ制御部156の並列構成は、CCWレーザのための第2の制御ループを提供する。CWレーザとCCWレーザのための並列制御ループは、共振器120のCW共振とCCW共振それぞれの対応する中心に各コムのすべてのCWとCCWレーザ周波数の必要な調整を提供する。これは、回転レートのためのＳＮ比を最大にし、回転レートの虚偽表示であるバイアスオフセットを最小化する。
【００２８】
[0031]  図３は、典型的な実施形態によるCW入力およびCCW入力の両方に関する光共振器の検知共振器共振（縦モード）を例示する。検知共振器共振は、CW入力に関する複数の共振線310と、図3に示すように共振線310からオフセットされた、CCW入力に関する複数の共振線314とにより表される。共振線310および314は、ジャイロスコープの回転レートに基づいて各々に関してシフトされる。
【００２９】
[0032]  本手法では、CWレーザ及びCCWレーザの各々によって生成された周波数コムのスペクトルのスペクトル線が、光共振器の異なる縦モードと一致するように、モードロックレーザが調整される。このように、レーザはコムスペクトル線が極性の共振器の他のすべての縦モードを変更することが知られているバイアス誤差タームをキャンセルする共振器FSRの奇数の整数倍で離間されるように調整される。
【００３０】
[0033]  例えば、ＲＦＯＧ 100のCWレーザの同調の間、光学フィルタ116（図2）からの周波数コム部208のCW波は、周波数ｆａで変調される周波数である。次いで、CW波の中心周波数は、位相感度が高い検出回路（すなわち復調器140）を介して共振器のCW共振にロックされる。この方法は、周波数ｆａの光検出器130からの信号を復調し、サーボ制御ユニット150への判別式または誤差信号を生じることにより実行される。判別式は、コムの平均周波数が一方向へ共振から片寄って、対向する目標のかなりの大きさを有するときに、コムの平均周波数が他の方向の共振から片寄るときに、１つの目標のかなりの大きさを有する信号である。コムの中心が共振器共振の中心と揃えられるときに、判別式はゼロである。サーボ制御ユニット150は、ゼロまで復調器140および判別式の出力を調整する。ｆａの光検出器130の出力が一般にゼロであるように、CWレーザはそれから調整される。周波数コム部の中心周波数が平均してCW方向の共振線に合わせられるために、調整プロセスはサーボ制御ユニット150により実行される。
【００３１】
[0034]  周波数ファ（2fa）の第二高調波は、復調器142の光検出器130から信号を復調することで測定されることができる。あるいは、増幅器が復調器142の代わりに使用されるときに、ＤＣ強度コンポーネントは光検出器130からＤＣ値を検出することで測定されることができる。ＤＣ強度コンポーネントまたは第二高調波は周波数コム部208のスペクトル線間の間隔が正しいことを確認するために予め定められたレベルに持ってこられ、その結果、スペクトル線は信号を最大にするために共振器共振に合わせられる。これは図３に示され、周波数コム部208のスペクトル線208a、208bおよび208cはそれぞれ共振線310a、310bおよび310cに合わせられる。この種の整列プロセスは、ＲＦＯＧ 100のサーボ制御ユニット150と結合して、サーボ制御ユニット152により実行される。サーボ制御ユニット152は、復調された信号を基準値と比較して、CWレーザにＤＣまたは第二高調波を入力のための正しい値に合わせる。
【００３２】
[0035]  同じように、ＲＦＯＧ 100のCCWレーザの同調の中、周波数コム部218からのCCW波は、周波数ｆｂで調整される周波数である。次いで、中心周波数のCCW波は、位相感度が高い検出回路（すなわち復調器144）を経た共振器のCCW共振にロックされる。この方法は、周波数ｆｂの光検出器132からの信号を復調して、サーボ制御ユニット154への判別式または誤差信号を生じることにより実行される。サーボ制御ユニット154は、復調器144および判別式の出力をゼロまで調整する。次いで、CCWレーザはｆａの光検出器132の出力が全体的にゼロであるように調整される。周波数コム部の中心周波数が平均してCCW方向の共振線と合わせられるように、調整プロセスは、サーボ制御ユニット154により実行される。
【００３３】
[0036]  周波数fbの第二高調波（2fb）は、復調器146の光検出器132から信号を復調することで測定されることができる。別の実施形態では、増幅器が復調器146の代わりに使用されるとき、ＤＣ強度コンポーネントは光検出器132からＤＣ値を検出することで測定されることができる。ＤＣ強度コンポーネントまたは第二高調波は、周波数コム部218のスペクトル線間の間隔が正しいことを確認するために予め定められたレベルに持ってこられ、その結果、スペクトル線は信号を最大にするために共振器共振に合わせられる。これは図３に示され、周波数コム部218のスペクトル線218a、218bおよび218cはそれぞれ共振線314a、314bおよび314cに合わせられる。この種の整列プロセスは、サーボ制御ユニット154と結合してサーボ制御ユニット156により実行される。サーボ制御ユニット156は、基準値に対してfbで復調された信号を比較し、ＤＣまたは第二高調波をCCWレーザに対する入力のために正しい値に合わせる。
【００３４】
[0037]   光学フィルタ118aがCCWレーザに関するＲＦＯＧ100において使用されるとき、前述の整列プロセスはまた、任意の第３の周波数コム部分318に関して実行されうる。CCWレーザのチューニング中、周波数コム部318および周波数コム部218からのCCW波は、周波数fbで調整される周波数である。次いで、周波数コム部218および318からのCCW波の中心周波数は、周波数fbで光検出器132からの信号を復調し、サーボ制御ユニット154のためのエラー信号または判別式を生成することによってCCW共振にロックされる。サーボ制御ユニット154は、復調器144および判別式の出力をゼロまで調整する。CCWレーザはそれから、fbで光検出器132の出力が全体的にゼロであるように調整される。周波数コム部218の中心周波数および318が平均してCCW方向の共振線と合わせられるように、調整プロセスは、サーボ制御ユニット154により実行される。
【００３５】
[0038]  周波数fbの第二高調波（2fb）は、復調器146の光検出器132から信号を復調することで測定されることができる。別の実施形態では、増幅器が復調器146の代わりに使用されるとき、ＤＣ強度コンポーネントは光検出器132からＤＣ値を検出することで測定されることができる。ＤＣ強度コンポーネントまたは第二高調波は、周波数コム部218および318のスペクトル線間の間隔が正しいことを確認するために予め定められたレベルに持ってこられる。これは図3に示され、周波数コム部318のスペクトル線318a、318bおよび318cは314dそれぞれ共振線、314eおよび314fに合わせられる。これはまた、周波数コム部218に関して図３に示され、スペクトル線218a、218bおよび218cはそれぞれ共振線314a、314bおよび314cに合わせられる。この種の整列プロセスは、サーボ制御ユニット154と結合してサーボ制御ユニット156により実行される。サーボ制御ユニット156は、基準値に対してfbで復調された信号を比較し、CCWレーザに対する入力のための正しい値にＤＣまたは第二高調波を合わせる。
【００３６】
[0039]  周波数コム部のスペクトル線の間の間隔は、共振器共振のFSRの奇数の整数（例えば3、5、7、9、….）の倍数であるように調整され得る。例えば、周波数コム部208のFSRが共振器共振の3FSRであるように、図３の図示した実施形態で、周波数コム部208のスペクトル線208a、208bおよび208cは対応する共振線310a、310bおよび310cで中央に置かれる。同様に、周波数コム部218のFSRが共振器共振の3FSRであるように、周波数コム部218のスペクトル線218a、218bおよび218cは対応する共振線314a、314bおよび314cで中央に置かれる。周波数コム部318が使われるときに、周波数コム部318のFSRが共振器共振の3FSRであるように、スペクトル線318a、318bおよび318cは314d対応する共振線、314eおよび314fで中央に置かれる。
【００３７】
[0040]  ある典型的な実施形態では、共振器の共振モード（すなわちFSR）間の間隔が10MHzである場合、周波数コム部208、218および318のFSRは30MHzであるだろう。
[0041]  図３に示すように、周波数コム部218および318は、左右対称を提供するために離れて周波数コム部208からの両側に、スペクトルで切り離される。実際問題として、リサーキュレータ124および126および／または特性が光周波数によって、変化するレーザおよび光ファイバ間の光学部品、光ファイバ122の特性があってもよいので、この左右対称は有利である。たとえば、光位相変調器の損失または効率が周波数で線形に変化することになっている場合、CWおよびCCW入力波に関する同じ平均損失および効率が達成され、スペクトル208の平均周波数および（結合された）スペクトル218および318の平均周波数が、実質的に等しい。周波数コム部218および318は、共振器共振のFSRの倍数によって、周波数コム部208から離れてスペクトルで切り離されることができる。
【００３８】
[0042]  他の実施形態では、CW及びCCWレーザの周波数コム部分のFSRは、ジャイロスコープのためのアプリケーションによる共振器（例えば5FSR、7FSR、など）のFSRの他の奇数の整数の倍数であってよい。共振器FSRの奇数の整数の倍数を用いて、ジャイロスコープの誤差は相殺される。
【００３９】
[0043]  図３の実施形態が、6つのスペクトル線を有する周波数コム部を表すと共に、他の実施形態は多くのスペクトル線を有する周波数コム部を利用できる。例えば、周波数コム部が各々100のスペクトル線を有する場合、各々の周波数コム部は約3GHzの帯域幅を有して、約1GHz離れてスペクトルで分離される。更に、各々の周波数コム部の中心周波数は4GHzに分離される。
【００４０】
[0044]  周波数コム部の個々のスペクトル線の幅は、要求されるジャイロスコープのグレードに依存する。例えば、商用または軍用機を案内するのに使用されるナビゲーショングレードのジャイロスコープでは、個々のスペクトル線は、レーザの周波数ノイズの正確なスペクトルに従い約10kHz未満の瞬間的な幅を有することを必要とするかもしれない。
【００４１】
[0045]  FSRが（熱膨張のために温度に依存する）光路長に依存するので、結果として生じる回転出力は、サーボ制御ユニット152および156の操作のない温度バリエーションのために、より正確にはならず、それはレーザフリースペクトルレンジを調整するように設計される。例えば、サーボ制御は各々のレーザの温度を変えることによって、レーザ自由なスペクトル域を調整でき、それによって、レーザ共振器長を調整する。このような方法で、共振器120のFSRのドリフトからの不正確は、かなり減らされるかまたは除去される。
【００４２】
[0046]  図1を再び参照すると、光結合器113および115はまた、それぞれ光源112および114をＲＦＯＧ 100のパス遅延制御セクション160に接続し、その結果、予めフィルタリングされたCW及びCCW光線の部分は、パス遅延制御セクション160の方向に差し向けられる。次いで、CWおよびCCW光線は、光結合器164で結合され、ビート振動数（例えばνccw−νcw）を判断するために光検出器166に送信される。
【００４３】
[0047]  パス遅延制御セクション160は、アクティブまたはパッシブ制御で実装され、その結果、CWおよびCCWレーザからのパルスは、同時に、光検出器166に到着する。例えば、図１に示すように、パッシブ光ファイバ・ループ161および162が採用されることができ、それらは異なる長さで構成され、パルスを光検出器166に同時に到着させることができる。あるいは、アクティブ制御は、光ファイバ・ループ161および162を加熱するかまたは伸ばすことによって利用できる。例えば、必要に応じて光ファイバ・ループのビーム路程を広げるかまたはコントラクトするために、光ファイバ・ループは、圧電シリンダをとりまき、または、ヒータ（または両方）に取り付けられる。
【００４４】
[0048]  光検出器166からの電気信号は、レート出力を判断するためにエレクトロニクスモジュール168により処理される。CWビームとCCWビームと間の周波数差は、ＲＦＯＧ 100の主たる測定出力である。ビート振動数（νccw−νcw）は、ジャイロスコープの回転レートと比例する。
【００４５】
[0049]  サニャク効果のアプリケーションによって、ＲＦＯＧ 100はその軸に関する回転レートを検出する。光検出器130、132は、巡回CW及びCCW光線を表している光信号を電気信号に転換し、復調器144、146および復調器140、142に送信される。光検出器からの信号は、共振器120の共振周波数とレーザ周波数との間の周波数偏向を示す正弦波コンポーネントを有する。この正弦波コンポーネントは、エラー信号を提供するために復調される。CWサーボ制御部150,152及びCCWサーボ制御部154、156は、復調された信号に基づいて、CWおよびCCW循環光ビームのための共振線路の形状の共振中心を検出し、（反響センターの周波数を表す）光センサで、検出信号間の周波数シフトに基づいて、CW及びCCW光波入力を共振器120の各々の反対に広がっている方向と関連する反響周波数に配置する。周波数シフトは、ＲＦＯＧ 100の回転レートを決定するのに用いる。
【００４６】
[0050] 本願明細書において、開示される共振器光ファイバ・ジャイロスコープは、例えば、慣性誘導（例えば航空機、地上車両、潜水艦、衛星群、水上艦ナビゲーションなど）を必要としている用途を含んでいる様々なアプリケーションに適している。更に、例えば、この共振器光ファイバ・ジャイロスコープは、小型ロボット、個々兵士のはきもの、小規模の衛星群などを含む非常に小さいパレットに実装されることができる。
【００４７】
例示の実施形態
[0051]  実施形態１は、共振器光ファイバ・ジャイロスコープを包含し、
第１の周波数コムスペクトルを有する第１の光線を生じるように構成される第１の光源と、
第２の周波数コムスペクトルを有する第２の光線を生じるように構成される第２の光源と、
前記第１の光源と光通信し、前記第１の周波数コムスペクトルの第１の周波数コム部分を通過するように構成された第１の光学フィルタであって、前記第１の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有することを特徴とする第１の光学フィルタと、
前記第２の光源と光通信し、前記第２の周波数コムスペクトルの第２の周波数コム部分を通過するように構成された第２の光学フィルタであって、前記第２の周波数コム部分が、フリースペクトルレンジ値を有し、前記第２の周波数コム部分が、前記第１の周波数コム部分とスペクトル的に分離されていることを特徴とする第２の光学フィルタと、
第１および第２の光学フィルタと光通信する光共振器であって、該光共振器が、フリースペクトルレンジ値を有する複数の共振を有し、該光共振器が、光ファイバ・コイルを有し、第１の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第１の光線の第１の周波数コム部分を循環し、第２の反対方向に伝播している方向の光ファイバ・コイルを介して第２の周波数コム部を循環するように構成されたことを特徴とする光共振器と、
を有し、
第１および第２の周波数コム部のフリースペクトルレンジ値が、実質的に同じであり、共振のフリースペクトルレンジ値の奇数の整数の倍数になるように調整され、
第２の周波数コム部が、回転レートと比例した周波数値に加えて、共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって、第１の周波数コム部からスペクトル的に離されている
ことを特徴とする。
【００４８】
[0052]  実施形態２は、第１および第２の光源が、各々可変同調型モードロックレーザから成ることを特徴とする実施形態１に記載のジャイロスコープを含む。
[0053]  実施形態３は、可変同調型モードロックレーザが光ファイバ・レーザから成ることを特徴とする実施形態２に記載のジャイロスコープを含む。
【００４９】
[0054]  実施形態４は、第１の光源が時計回り（CW）の光線を生成し、第２の光源が逆時計回り（CCW）の光線を生成することを特徴とする、実施形態１乃至３のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５０】
[0055]  実施形態５は、第１および第２の周波数コムスペクトルが、実質的に同じフリースペクトルレンジを有することを特徴とする実施形態１乃至４に記載のいずれかのジャイロスコープを含む。
【００５１】
[0056]  実施形態６は、
前記第２の光源と光通信し、第３の周波数コム部分を通過するように構成された第３の光学フィルタと
を更に有し、
第３の周波数コム部が、回転レートに比例した周波数値を加えた共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第１の周波数コム部から離間され、
第３の周波数コム部が、共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第２の周波数コム部から離間される
ことを特徴とする実施形態１乃至５に記載のいずれかのジャイロスコープを含む。
【００５２】
[0057]  実施形態７は、第１の周波数コム部は、第１の周波数で変調され、第２の周波数コム部は、第１の周波数と異なる第２の周波数で変調されることを特徴とする実施形態１乃至６のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５３】
[0058]  実施形態８は、
光学的に光共振器に連結され、光共振器を循環しているCW光線をサンプリングするように構成される第１の光検出器と、
光共振器で循環しているCCW光線をサンプリングするように構成された第２の光検出器と、
を更に有することを特徴とする実施形態１乃至７のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５４】
[0059]  実施形態９は、
第１の光検出器に有効に連結され、第１の周波数に基づいて信号を復調するように構成される第１の復調器と、
前記第１の光検出器に有効に連結される第２の復調器または増幅器と、
を更に有し、
前記第２の復調器が、第１の周波数の第二高調波に基づいて信号を復調するように構成され、
前記増幅器が、ＤＣ強度値を判断するように構成される
ことを特徴とする、実施形態８のジャイロスコープを含む。
【００５５】
[0060]  実施形態10は、
第２の光検出器に有効に連結され、第２の周波数に基づいて信号を復調するように構成される第３の復調器と、
第２の光検出器に有効に連結する第４の復調器または増幅器と、
を更に有し、
第４の復調器が第１の周波数の第二高調波に基づいて信号を復調するように構成され、
増幅器がＤＣ強度値を判断するように構成される
ことを特徴とする実施形態９に記載のジャイロスコープを含む。
【００５６】
[0061]  実施形態１１は、
第１の復調器に有効に連結され、第１の復調器から復調された信号を処理するように構成される第１のサーボ制御ユニットと、
第２の復調器または増幅器に有効に連結され、増幅器からの第２の復調器またはＤＣ強度値から復調された信号を処理するように構成される第２のサーボ制御ユニットと、
を更に有し、
第１および第２の各々のサーボ制御ユニットからの出力は、第１の光源に制御信号を提供することを特徴とする実施形態９乃至１０のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５７】
[0062]  実施形態１２は、
第３の復調器に有効に連結され、第３の復調器から復調された信号を処理するように構成される第３のサーボ制御ユニットと、
第４の復調器または増幅器に有効に連結され、増幅器からの第４の復調器またはＤＣ強度値から復調された信号を処理するように構成された第４のサーボ制御ユニットと、
を更に有し、
第３および第４のサーボ制御ユニットの各々からの出力が、第２の光源に制御信号を提供することを特徴とする実施形態10または11のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５８】
[0063]  実施形態１３は、第１および第２の光源に光学的に連結されたパス遅延制御部分を更に有することを特徴とする実施形態１乃至１２のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００５９】
[0064]  実施形態１４は、パス遅延制御部分に光学的に連結された第３の光検出器を更に有することを特徴とする実施形態８乃至１３に記載のいずれかのジャイロスコープを含む。
【００６０】
[0065]  実施形態１５は、第３の光検出器に有効に連結され、レート出力を判断するために第３の光検出器からの電気信号を処理するように構成されるエレクトロニクスモジュールを更に有することを特徴とする実施形態８乃至１４のいずれかに記載のジャイロスコープを含む。
【００６１】
[0066]  実施形態１６は、共振器光ファイバ・ジャイロスコープの回転レートを決定する方法を含み、該方法が、
第１の周波数コムスペクトルを有する第１の光線を生成するステップと、
第２の周波数コムスペクトルを有する第２の光線を生成するステップであって、第１および第２の周波数コムスペクトルが、各々同じフリースペクトルレンジを実質的に有することを特徴とするステップと、
第１の周波数コムスペクトルの第１の周波数コム部分をジャイロスコープの光共振器に通すように第１の光線をフィルタリングするステップと、
第１の周波数コムスペクトルの第２の周波数コム部分を光共振器に通すように第２の光線をフィルタリングするステップであって、第２の周波数コム部分が、第１の周波数コム部分からスペクトル的に離されることを特徴とするステップと、
光共振器の時計回りの共振に対して第１の周波数コム部分をロックするステップであって、前記時計回りの共振が各々同じフリースペクトルレンジ値を有することを特徴とするステップと、
前記時計回りの共振とは異なる光共振器の逆時計回り共振に対して第２の周波数コム部分をロックするステップであって、前記逆時計回り共振が同じフリースペクトルレンジ値を各々有することを特徴とするステップと、
時計回りの共振のフリースペクトルレンジ値の奇数の整数の倍数である第１の周波数コム部分のフリースペクトルレンジ値を調整するステップと、
逆時計回り共振のフリースペクトルレンジ値の奇数の整数の倍数である第２の周波数コム部分のフリースペクトルレンジ値を調整するステップと、
第１および第２の入力光の間の周波数差を判断するステップであって、前記周波数差がジャイロスコープの回転レートと比例することを特徴とするステップと
を有することを特徴とする。
【００６２】
[0067]  実施形態１７は、第１および第２の周波数コム部のフリースペクトルレンジ値は実質的に同じであることを特徴とする実施形態16の方法を含む。
[0068]  実施形態18は、第２の周波数コム部が、回転レートと比例する周波数差コンポーネントに加えて、時計回り及び逆時計回りのフリースペクトルレンジ値の倍数によって、第１の周波数コム部からスペクトル的に切り離されることを特徴とする実施形態16または17のいずれかに記載の方法を含む。
【００６３】
[0069]  実施形態１９は、時計回り及び逆時計回り共振に第３の周波数コム部をロックするステップを更に有し、
第３の周波数コム部が、時計回り及び逆時計回り共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第２の周波数コム部からスペクトル的に離され、
第３の周波数コム部が、回転レートと比例している周波数差コンポーネントに加えて、時計回り及び逆時計回り共振のフリースペクトルレンジ値の倍数によって第１の周波数コム部からスペクトル的に離される
ことを特徴とする実施形態16乃至18のいずれかに記載の方法を含む。
【００６４】
[0070]  実施形態２０は、第１の周波数コム部は、第１の周波数で変調され、第２の周波数コム部は、第１の周波数と異なる第２の周波数で変調されることを特徴とする実施形態16乃至19のいずれかに記載の方法を含む。
【００６５】
[0071]  特定の実施形態を例示してきたけれども、本願明細書において、同じ目的を達成するために算出されるいかなる装置も、特定の図示した実施形態と置換されることができることは当業者によって認められる。したがって、本発明が特許請求の範囲およびその均等の範囲等だけにより限定されることは明白に意図される。
【図１】
2013221938.tif 000003
【図２Ａ】
2013221938.tif 000004
【図２Ｂ】
2013221938.tif 000005
【図３】
2013221938.tif 000006
【外国語明細書】
2013221938000001.pdf